Принятие решений в экологической геоинформационной системе на основе нечеткой модели классификации

 
3.2 Разработка специализированных информационно-моделирующих систем.  
 
На основе исследований возможностей известных отечественных и зарубежных геоинформационных систем и практического опыта работ с наиболее распространенными системами (ARC/INFO, MAPINFO, Quickmap, Atlas/gis) была обоснована необходимость создания геоинформационной системы, способной адаптироваться к различным прикладным задачам. C 1990 году в ИБРАЭ РАН были развернуты работы по созданию как проблемно ориентированных геоинформационных систем и банка электронных карт , так и инструментальных средств для разработки специализированных геоинформационных систем. 
 
Разработанные инструментальные средства поддерживаются известными и оригинальными технологиями. Формируемый банк региональных цифровых карт обеспечивает решение как задач отображения плана местности, так и задач привязки атрибутивной информации именно к пространственным объектам.

К настоящему времени разработаны оригинальная технология и алгоритмы интеграции картографической информации в геоинформационные системы, созданы программы, обеспечивающие наполнение геоинформационных систем картографической информацией, решена задача переноса картографических данных из формата Ф1, который используется топографическим управлением Генерального штаба МО РФ, в форматы наиболее распространенных географических информационных систем, в частности подготовлен конвертор в систему MAPINFO. 
 
Формат Ф1M в настоящее время является базовым форматом для создания электронных карт, используемым Федеральной службой геодезии и картографии России. Этот формат основан на ранее существовавшем формате Ф1, имеющем значительное число диалектов и модификаций. В связи с существованием значительного числа карт, оцифрованных в различных диалектах формата Ф1, представляется целесообразным создание семейства конверторов в формат MAPINFO. К настоящему моменту реализованы два конвертора - Ф1M-MAPINFO (ориентированный на чтение файлов в версии формата Ф1M, разработанной картографическим институтом МО России), и FТ-MAPINFO (ориентированный на чтение файлов в текстовом диалекте формата Ф1 FТ, который использовался как формат хранения данных регионального картографического банка данных ИБРАЭ РАН).  
 
Точнее, конвертор FT-MIF предназначен для преобразования файлов из формата FТ в формат MIF (MAPINFO Interchange Format версия 2.1 и выше), конвертор Ф1M- MIF предназначен для преобразования файлов из формата Ф1М в формат MIF. Оба конвертора работают в системе MS WINDOWS(версия 3.0 и выше). 
 
Этот универсальный формат (MIF) позволяет сопоставлять различным графическим элементам настраиваемые данные. MIF-файл является текстовым (ASCII), поэтому файлы в таком формате можно редактировать, достаточно легко генерировать, причем они будут работать в любых системах, где работает MapInfo.  
 
Данные MapInfo хранятся в двух файлах - графическая информация содержится в файлах с расширением .MIF, а текстовая в файлах с расширением .MID. Каждая строка текстовых данных отделяется от следующей строки либо символом возврата каретки (Carriage Return), либо возврата каретки вместе с новой строкой (Line Feed), либо только символом новой строки. MIF-файл состоит из двух частей: заголовка и секции данных.  
 
Заголовок файла содержит информацию о том, как создавать таблицы MapInfo, а секция данных содержит определения графических объектов.  
 
Отметим, что на практике часто встречаются отклонения от утвержденного классификатора при создании цифровых карт в формате Ф1M различными организациями. Одним из самых "безобидных" отклонений является использование при создании цифровой карты одного масштаба элементов классификатора для карт другого масштабного ряда. Если же цифровая карта была изготовлена не на картографическом предприятии, а в какой-либо организации для удовлетворения своих специфических потребностей, то отступления от классификатора могут быть и более серьёзными, такими как ввод в классификатор новых объектов и характеристик, изменение смыслового и кодового обозначения характеристик объектов классификации и т.д. Так как пользователь вынужден иметь дело как со стандартизованными (правильными), так и "неправильными" цифровыми картами, то зашивать в конвертор фиксированные классификаторы на карты различного масштабного ряда мы считаем нецелесоовразным. Более правильным мы считаем дать пользователю возможность самому вносить изменения в классификаторы в зависимости от исходного цифрового картографического материала. Для этой цели и служат поставляемые с конвертором программы редактирования классификаторов.  
 
В конверторе также предусмотрена предварительная настройка на число обрабатываемых характеристик/столбцов и тип описывающих их данных для каждого из типов (точечных, линейных, площадных) объектов тематического слоя/сегмента цифровой карты в формате Ф1M путем редактирования соответствующих файлов заголовков конвертора. 
 
Параллельно с конвертацией, имеется возможность преобразования исходного оцифрованного картографического материалла из системы координат листа (планшетная система координат) в систему координат Гауса-Крюгера и в географические координаты. 
 
В ходе работ по разработке специализированных ГИС в ИБРАЭ РАН созданы программы, обеспечивающие возможность редактирования и дополнения специализированных геоинформационных систем информацией, а также документирование программ и обеспечение справочно-информационной поддержки.  
 
На базе разработанных инструментальных средств и информации центрального банка обобщенных данных по последствиям аварии на ЧАЭС, созданном в ИБРАЭ РАН, разработана оригинальная специализированная геоинформационная система RVS по районам повышенного радиационного риска, включающая информацию по более чем 10.000 населенных пунктов России. 
 
На базе созданного программного обеспечения и использования возможностей ГИС “MAPINFO” создан ряд специализированных информационных систем на базе геоинформационных технологий по заказам Минтопэнерго РФ, Минэкономики РФ, МГТС.

3.3 Разработка программного обеспечения систем поддержки принятия решений в аварийных ситуациях

Процессы  концентрации и роста мощностей  энергетики в развитых странах возвели  риск экономического и экологического ущерба от техногенных аварий на объектах топливно-энергетического комплекса в ранг государственных и даже межгосударственных проблем. Специалисты во всем мире констатируют устойчивый рост экономического и социального ущерба от нарушений в работе атомных и других крупных промышленных и энергетических объектов.  
 
В настоящее время в большинстве промышленно развитых стран функционируют аварийно-технические (кризисные) центры, нацеленные на сбор и анализ первоочередной информации при возникновении чрезвычайных ситуаций на объектах, в первую очередь, ядерно-энергетического комплекса и обеспечивающие первичную оценку обстановки, прогнозирование возможного развития аварии и выдачу данных для поддержки управленческих решений, как на уровне соответствующих служб при радиационно-опасных и других объектах, так и на региональном (национальном) уровне. 
 
Совокупность указанных обстоятельств приводит к необходимости перехода на более современный уровень отечественного научно-технического обеспечения задач, связанных с защитой населения и реабилитации территорий, пострадавших в результате техногенных аварий и катастроф.  
 
Важнейшей особенностью управленческих решений по защите населения при крупномасштабных промышленных авариях является высокая наукоемкость научно-технического обеспечения таких решений и большой объем необходимой исходной информации. При этом научно-техническая поддержка должна осуществляться в режиме "реального времени", что требует создания быстрых компьютерных кодов на основе современных компьютерных технологий, в частности весьма перспективным представляется применение геоинформационых технологий. 
 
Интеллектуальным ядром технического кризисного центра должен быть информационно-аналитический центр (ИАЦ). По своей сути ИАЦ должен представлять компьютерную экспертно-геоинформационную систему поддержки принятия управленческих решений, обеспечивающую успешную работу группы высококвалифицированных экспертов, в составе систем отображения данных экогического мониторинга в зоне особо опасных промышленных объектов, баз данных и банков моделей для оценки и прогнозирования последствий аварий для населения и окружающей среды, систем информационной поддержки.  
 
В течение 1992-95 годов в рамах конкретных договоров ИБРАЭ РАН на основе современных информационных технологий были созданы различные элементы и прототипы составных частей информационно-аналитического центра, в частности, прототип системы отображения данных радиологического мониторинга для ЦУЧС МАЭ, разработаны ряд моделей по прогнозированию распространения радионуклидов в окружающей среде и прототип специализированной региональной геоинформационной системы , была проведена разработка прототипа прогностической компьютерной системы поддержки принятия решений по защите населения при радиационных и химических авариях.

3.4 Разработка программных продуктов для оценки химического риска

Традиционные  способы анализа уровней загрязненности территорий химическими примесями (как радиоактивными, так и нерадиоактивными) основываются на сравнении концентраций определенных загрязнителей с установленными в нормативных документах предельно допустимыми концентрациями. Территория, как правило, ранжируется по этим критериям, и, таким образом, оценивается общая техногенная нагрузка на различные районы. Подобные задачи решались Главгидрометом и Госкомитетом по экологии бывшего СССР, где собраны данные о загрязненности территории страны различными загрязнителями. 
 
Методология установления ПДК в качестве норматива предполагает пороговость действия загрязнителя и не позволяет адекватно учитывать действие разных факторов. Можно указать и другие слабые стороны существующего подхода, но именно эти два аспекта являются главными препятствиями для адекватной оценки и снижения антропогенной нагрузки. Современная наука свидетельствует об отсутствии порога действия многих химических загрязнителей, а масштабы экономического развития, как правило, приводят к выбросу в окружающую среду многих классов загрязнителей, совместное действие которых также следует анализировать и ограничивать. Справиться с этими проблемами позволяет региональный анализ риска, методология проведения которого интенсивно развивалась в последние годы и даже в ряде стран получила законодательный статус (например, в Голландии и др.).  
 
Предварительные оценки и сравнительный анализ риска при радиационном и химическом воздействии на здоровье человека свидетельствуют о достаточно сильном воздействии некоторых химических загрязнителей на здоровье человека. Например, один лишь риск от шестивалентного хрома, источником которого являются производства по хромированию, в промзонах некоторых промышленных городов превышает риск радиационного фона не менее, чем на порядок.  
 
Для комплексного проведения сравнительного анализа риска с целью дальнейшего эффективного его снижения и управления необходимы:

• методологический базис, в качестве которого лучше всего использовать методологию оценки, анализа и управления риском
• банк информации по методам описания распространения загрязнителей в различных средах
• база данных по эффектам действия на здоровье человека и другие элементы биосферы.

Научно-обоснованным методологическим базисом мог бы стать подход, развитый и используемый Агентством по охране окружающей среды  США (US EPA). Разработанные US ЕРА методические документы и доступная для  пользователей открытая электронная база данных IRIS (ЕРА), содержащая сведения по риску для большой группы канцерогенов и системных токсинов техногенного происхождения, позволяет на первом этапе выполнить необходимый анализ техногенной нагрузки на регион. При оценке радиационной компоненты риска могли бы быть использованы методические документы НКДАР ООН    1988 и 1993 гг.

Компьютерная  информационная система WinARM разработана  на основе методических документов по оценке воздействия на здоровье системных  токсинов и канцерогенов Агентства по охране окружающей среды США (US Environmental Protection Agency) US ЕРА. Оценка риска системной токсичности и дополнительной смертности от раковых заболеваний производится в WinARM на основе расчета экспозиционной дозы, т.е. количества вредной химической примеси, поступающей в организм человека за определенный промежуток времени, с использованием количественных данных по оценке отклика на экспозиционную дозу, содержащихся в открытой электронной базе данных IRIS (Integrated Risk Informational System) US EPA. При оценке риска WinARM следует принятой US ЕРА концепции беспорогового воздействия канцерогенов, учитывая, что даже небольшие экспозиционные дозы могут приводить к мутации на клеточном уровне с последующим возможным появлением злокачественных новообразований. При оценке системной токсичности WinARM в соответствии с методологией US ЕРА считается, что экспозиционные дозы ниже некоторого порога, индивидуального для каждого системного токсина, вреда здоровью не наносят в силу проявления адаптивных, компенсационных и гомеостатических механизмов. В этом случае для оценки риска системной токсичности в рассмотрение вводится ряд параметров, своеобразных маркеров риска, позволяющих оценить опасность появления симптомов токсичности при кратковременной, продолжительной либо хронической экспозиции для различных когорт населения, в частности, для взрослых и детей. Оценка риска производится с обязательным указанием экспозиционного маршрута - перорального, ингаляционного либо аппликационного. Следует отметить, что количественные данные по оценке риска, содержащиеся в IRIS, получены на основе всей совокупности медикобиологических данных по воздействию химических веществ на человека и животных с учетом эпидемиологических данных и медицинской статистики. В последней версии открытой электронной базы данных IRIS имеются сведения о воздействии на здоровье более 600 химических веществ - системных токсинов и канцерогенов антропогенного происхождения. 

Заключение

Эффективность компьютерного прогнозирования  наиболее значима при исследовании сложных, многофакторных задач, к которым  относятся задачи прогноза риска  и последствий техногенных аварий и катастроф. В рамках компьютерного  моделирования прогноз строится, в основном, на основе численного анализа физико-математических моделей. Кроме того, при математическом описании процессов используются различные регрессионные модели, оценки. Точность (достоверность) прогноза определяется, в первую очередь, точностью физико-математического описания моделируемого процесса, а также точностью задания параметров физико-химических свойств веществ, участвующих в процессах.  
Однако, процесс возникновения и распространения аварийных воздействий в окружающей природной среде настолько сложен и многогранен, а глубина понимания физических, химических и, тем более биологических аспектов этой проблемы так недостаточна, что построить точные модели и, соответственно, выполнить точный прогноз последствий аварий не представляется возможным, так как всякая модель — лишь определенное приближение к действительности. Прогноз последствий аварий строится относительно конкретного объекта. Последствия конкретной аварии характеризуются условными оценками риска. Переход к оценкам риска, характеризующим уровень опасности от объекта, осуществляется с учетом интенсивностей возникновения аварийных ситуаций. Алгоритм прогнозирования уровня опасности реализуется в виде программного комплекса, работа которого поддерживается программной средой, базами данных свойств веществ, базами данных ГИС.

Список литературы

1)Берштейн Л.С., Целых А.Н. Гибридная экспертная система с вычислительным модулем для прогноза экологических ситуаций. Труды международного симпозиума “Интеллектуальные системы - ИнСис - 96”, г.Москва,  1996г.

2)Алексеенко В.А. Геохимия ландшафта и окружающая cреда. - М.:Недра, 1990. -142с.:ил.

3)Мелихов А.Н., Баронец В.Д. Проектирование микропроцессорных средств обработки нечеткой информации. – Ростов-на-Дону. Издательство Ростовского университета, 1990. - 130с.

4)Неформальное введение в С++ и TURBO VISIO. С. - Петербург: Петрополь, 1992. - 384с.

5)http://www.ibrae.ac.ru/~lgis/bank/Gistechn.htm - Лаборатория географических информационных систем